DE835744C

DE835744C - Device for thrust compensation of centrifugal machines, in particular steam turbines

Info

Publication number: DE835744C
Application number: DES17513A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Hans Trassl; Dipl-Ing Werner Trassl
Original assignee: Siemens Schuckertwerke AG; Siemens AG
Current assignee: Siemens Schuckertwerke AG; Siemens AG
Priority date: 1950-07-12
Filing date: 1950-07-12
Publication date: 1952-04-03

Description

Einrichtung zum Schubausgleich von Kreiselmaschinen, insbesondere Dampfturbinen In den meisten Maschinen zur Verdichtung oder Entspannung eines Arbeitsmittels (Turbinen, Pumpen, Gebläsen, Schraubenantrieb für Schiffe usw.) übt das Arbeitsmittel einen Schub auf den Läufer aus, der beträchtliche Werte annehmen kann. Um den Schub zu beherrschen, bestehen zwei Möglichkeiten: Entweder man sieht Baumittel vor, die kräftig genug sind, um den Schub aufzunehmen, oder man führt eine dem Schub entsprechende Gegenkraft ein. Häufig werden beide Maßnahmen gleichzeitig angewendet. Zur Aufnahme des Schubes dienen die bekannten Blocklager mit ihren vielen Bauformen. Der Schubausgleich kann entweder dadurch herbeigeführt werden, daß man betriebsmäßig vom Arbeitsmittel beaufschlagte Flächen gegeneinander schaltet, so daß sich die gegengerichteten Schübe mehr oder weniger ausgleichen, oder man baut zusätzliche Schubausgleichflächen ein, die vom Arbeitsmittel entgegen dem betriebsmäßig auftretenden Schub beaufschlagt werden. Vielfach wird der durch Gegenschaltung oder durch zusätzliche Schubausgleichflächen erzielte Schubausgleich durch Blocklager ergänzt, sei es, um bei Störungen des Schubausgleiches innerhalb der Maschine eine gewisse Sicherheit gegen Maschinenschäden zu schaffen, sei es, um baulich günstigere Verhältnisse herbeizuführen als die, welche man durch die Anwendung nur eines dieser Mittel erreichen könnte.Device for thrust compensation of gyroscopic machines, in particular Steam turbines In most machines for compressing or expanding a work medium (Turbines, pumps, blowers, screw drives for ships, etc.) exercises the work equipment a thrust on the runner, which can assume considerable values. To the thrust To master, there are two possibilities: Either one provides building funds that are strong enough to absorb the thrust, or one is performing one corresponding to the thrust Counterforce a. Often both measures are used at the same time. To record The well-known block bearings with their many designs are used for thrust. The thrust compensation can either be brought about by the fact that one is operationally from the work equipment applied surfaces switches against each other, so that the opposing thrusts more or less compensate, or you build in additional thrust compensation surfaces, acted upon by the work equipment against the thrust that occurs during operation will. In many cases, this is achieved through counter-switching or through additional thrust compensation surfaces Achieved thrust compensation supplemented by block storage, be it in order to disrupt the thrust compensation to create a certain level of security against machine damage within the machine, be it to bring about structurally more favorable conditions than those that can be achieved the application of only one of these means could achieve.

Eine dritte Möglichkeit des Schubausgleiches besteht nach einem älteren Vorschlag darin, eine Fremdkraft in Form eines magnetischen Gegenfeldes einzuführen, dessen Größe derart gewählt wird, daß es dem in der Maschine auftretenden Schub das Gleichgewicht hält. Es wird also etwa der in einer Kreiselpumpe durch die Förderflüssigkeit auftretende Schub mit dem Schub eines magnetischen Feldes ins Gleichgewicht gesetzt, so daß die Welle schubfrei ist, ohne daß es eines Blocklagers zur Aufnahme des Schubes oder zusätzlicher beaufschlagten Flächen zum Ausgleich des Schubes bedürfte. Die Erfindung betrifft ebenfalls diese Art des Schubausgleiches.A third possibility of thrust compensation exists after an older one Suggestion to introduce an external force in the form of an opposing magnetic field, whose size is chosen so that it is the thrust occurring in the engine keeps the balance. So it becomes something like that in a centrifugal pump through the conveyed liquid occurring thrust is balanced with the thrust of a magnetic field, so that the shaft is thrust-free without there being a block bearing to absorb the thrust or additional exposed areas to compensate for the thrust need. The invention also relates to this type of thrust compensation.

Nach dem älteren Vorschlag besteht die Einrichtung zur Erzeugung des magnetischen Gegenfeldes aus zwei gleichachsigen Körpern, von denen der eine den anderen umgibt und zwischen denen das magnetische Feld verläuft. In erster Linie ist dabei daran gedacht, den Läufer des Antriebsmotors gegenüber dem Ständer in Achsrichtung verschoben anzuordnen, so daß er beim Einschalten des Stromes in den Ständer hineingezogen wird und hierbei eine Schubkraft erzeugt, die dem Schub innerhalb der Pumpe entgegengesetzt ist. Es ist dies eine Möglichkeit der baulichen Ausführung des magnetischen Schubausgleiches, die aber nur so lange ausreicht, wie die zu beherrschenden Kräfte nicht sehr groß sind. Bei Kreiselmaschinen mit großen Schubkräften, etwa bei Dampfturbinen, wäre dieser Weg nicht gangbar. Für solche Fälle wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, das magnetische Gegenfeld durch mindestens ein Paar scheibenförmiger, in Achsrichtung aufeinanderfolgender Körper zu bilden, von denen der eine im Raum feststeht und der andere auf der Welle befestigt ist.According to the older proposal, the facility for generating the magnetic opposing field from two equiaxed bodies, one of which is the surrounds others and between which the magnetic field runs. Primarily It is thought that the rotor of the drive motor opposite the stator in To be arranged shifted in the axial direction, so that when the power is switched on, it is in the Stand is drawn in and this creates a thrust force that pushes the thrust within opposite to the pump. This is one of the structural options of the magnetic thrust compensation, which is only sufficient as long as the one to be controlled Forces are not very large. For gyroscopes with large thrust forces, for example in the case of steam turbines, this route would not be feasible. For such cases, according to the Invention proposed that the opposing magnetic field by at least one pair of disk-shaped, to form successive bodies in the axial direction, one of which is in space is fixed and the other is attached to the shaft.

Wie die Berechnung zeigt, läßt sich beispielsweise bei zwei Paaren von Scheiben mit einem Durchmesser von etwa 6o cm und einer Erregerleistung von etwa 500 Watt ein Schub in der Größenordnung von 20 t erzeugen, wobei, was besonders bedeutungsvoll ist, der bauliche Aufwand sehr gering ist, jedenfalls wesentlich geringer als bei einem der üblichen Blocklager, ganz abgesehen davon, daß die sorgfältige Überwachung und Pflege des Blocklagers, die zu seiner Betriebssicherheit unbedingt erforderlich ist, hier in Fortfall kommt. Es würde naturgemäß nichts im Wege stehen, das Magnetsystem so durchzubilden, daß es im Notfall für kurze Zeit als Blocklager arbeiten könnte, wenn etwa der magnetische Ausgleich infolge einer Störung entfallen sollte.As the calculation shows, for example, with two pairs of disks with a diameter of about 60 cm and an excitation power of about 500 watts, a thrust of the order of 20 tons can be generated, whereby, what is particularly significant, the structural effort is very low , at least significantly less than in one of the usual block storage facilities, quite apart from the fact that the careful monitoring and maintenance of the block storage facility, which is absolutely necessary for its operational safety, is no longer necessary. Naturally, nothing would stand in the way of designing the magnet system in such a way that, in an emergency, it could work as a block bearing for a short time if, for example, the magnetic compensation should be omitted due to a disturbance.

Ein besonderer Vorteil des elektromagnetischen Schubausgleiches liegt in seiner Regelbarkeit, die bei anderen Arten des Ausgleiches in diesem Maße nicht oder nur sehr schwierig möglich wäre. Man kann nämlich die Größe des magnetischen Schubes ohne weiteres durch einen einfachen Regler von irgendwelcher kennzeichnenden Größe der Kreiselmaschine abhängig machen. Bei einer Kreiselpumpe kann man etwa eine Abhängigkeit des magnetischen Schubes von der Fördermenge oder von dem Förderdruck herstellen, bei einer Dampfturbine von der Belastung, bei einem Gebläse ebenfalls von der Fördermenge oder dem Förderdruck, bei Maschinen mit einem Blocklager von der Lagertemperatur oder der Ü1-temperatur usw. Welche Betriebsgröße man zur Schubregelung heranziehen will, wird man von Fall zu Fall nach den Betriebsbedingungen zu entscheiden haben.A particular advantage of the electromagnetic thrust compensation lies in its controllability, which is not the case with other types of compensation to the same extent or would be very difficult to do. Namely, one can change the size of the magnetic Thrust readily by a simple regulator of any characteristic Make the size of the gyroscope dependent. With a centrifugal pump you can do something like this a dependence of the magnetic thrust on the delivery rate or on the delivery pressure produce, in the case of a steam turbine from the load, in the case of a blower likewise on the delivery rate or the delivery pressure, for machines with a block bearing of the storage temperature or the Ü1 temperature, etc. Which operating size is used for thrust control one will decide on a case-by-case basis according to the operating conditions to have.

Für den Schubausgleich selbst bestehen zwei Grundmöglichkeiten: Entweder man setzt dem in der Maschine auftretenden Schub einen entgegengesetzten magnetischen Zug entgegen, oder man führt einen magnetischen Schub als Gegenschub ein. Auch hier wird sich die Wahl einer der beiden Möglichkeiten nach den baulichen Gegebenheiten zu richten haben. In vielen Fällen wird der magnetische Zug zum Ausgleich vorzusehen sein, da man mit nur einem Erregersystem auskommt und der zweite Körper des Paares wicklungsfrei bleiben kann. Bei dem magnetischen Schub müssen beide Körper des Paares magnetisch gleichpolig sein, um sich abzustoßen. Das erfordert aber die Erregung beider Körper eines Paares.There are two basic options for the thrust compensation itself: Either the thrust occurring in the machine is given an opposite magnetic thrust Pull against, or you introduce a magnetic thrust as a counter-thrust. Here too the choice of one of the two options will depend on the structural conditions have to judge. In many cases, the magnetic pull is provided to compensate for this because you can get by with only one excitation system and the second body of the couple can remain free of winding. In the case of the magnetic thrust, both bodies of the couple must be magnetically homopolar to repel each other. But that requires arousal both bodies of a couple.

Im ersten Fall wird es im allgemeinen das günstigste sein, die Erregerwicklung in den feststehenden Körper des Paares einzusetzen, um Schleifringe zu sparen, obgleich auch die andere Möglichkeit (Unterbringung der Erregung im umlaufenden Körper) nicht ausgeschlossen ist.In the first case it will generally be the cheapest, the excitation winding insert into the fixed body of the pair to save slip rings, though the other possibility (accommodation of the excitation in the circulating body) is not available either is excluded.

Bei der Gleichstromerregung wird die Wicklung in eine Kreiselnut eingesetzt, um in der rotierenden Scheibe Verluste zu vermeiden. Ob man nur eine Wicklung verwendet oder mehrere konzentrische Wicklungen, hängt von den baulichen Möglichkeiten ab, Bei nur einer Wicklung werden die Verluste am kleinsten, die Scheibe wird aber am dicksten. Bei mehreren Wicklungen wird die Scheibe entsprechend dünner, aber die Verluste steigen an. Die Erregerwicklungen sind so anzuordnen, daß die Luftinduktion nach Möglichkeit an allen Stellen gleich ist.With direct current excitation, the winding is inserted into a gyro slot, in order to avoid losses in the rotating disk. Whether you only use one winding or several concentric windings, depends on the structural options, If there is only one winding, the losses are the smallest, but the disc is on thickest. With several windings, the disc becomes correspondingly thinner, but the Losses increase. The excitation windings are to be arranged so that the air induction is the same in all places if possible.

Bei Drehstromerregung liegt die Wicklung als Phasenwicklung in Radialnuten entsprechend den elektrischen Maschinen mit Scheibenläufern. Um Verluste zu vermeiden, muß das Drehfeld mit der Drehgeschwindigkeit des Maschinenläufers umlaufen. Außerdem muß die die Wicklung tragende Scheibe lamelliert werden.With three-phase excitation, the winding is a phase winding in radial slots corresponding to the electrical machines with disc rotors. To avoid losses, the rotating field must rotate at the speed of rotation of the machine rotor. aside from that the disc carrying the winding must be laminated.

Ob man mit einem Parallelkörper auskommt oder mehrere derartige Paare hintereinanderschalten muß, hängt von der Größe des auszugleichenden Schubes ab.Whether you can get by with a parallel body or several such pairs must be connected in series, depends on the size of the thrust to be compensated.

Ein schematisches Ausführungsbeispiel ist in der Figur dargestellt. Es handelt sich darum, den auf die Welle i ausgeübten Schub auszugleichen, der in der Richtung des eingezeichneten Pfeiles wirkt. Die Welle i trägt in diesem Fall zwei Scheibenpaare 2 mit je einer feststehenden Scheibe 3 und je einer auf der Welle i befestigten umlaufenden Scheibe 4. Als Erregung ist Gleichstromerregung angenommen, wobei zwei konzentrische Wicklungen in Kreisnuten 5 und 6 der feststehenden Scheiben 3 untergebracht sind. Die Nuten sind durch Ringe 7 überdeckt, die zweckmäßigerweise aus dem gleichen Baustoff wie die Scheiben 3 bestehen.A schematic embodiment is shown in the figure. It is a question of compensating for the thrust exerted on shaft i, which in the direction of the arrow is effective. The wave i carries in this case two pairs of disks 2, each with a stationary disk 3 and one each on the shaft i attached rotating disk 4. The excitation is assumed to be direct current excitation, with two concentric windings in circular grooves 5 and 6 of the fixed disks 3 are housed. The grooves are covered by rings 7, which are expediently consist of the same building material as the discs 3.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Device for thrust compensation of centrifugal machines, especially steam turbines, by the force of a magnetic field, characterized in that the magnetic field is formed by at least one pair of disk-shaped bodies (3, 4) successive in the axial direction, one of which (3) in space is fixed and the other (4) is attached to the shaft (i).

2. Set up according to Claim i, characterized in that the thrust compensation by the magnetic Train between the fixed (3) and the revolving (4) body of the pair of disks is brought about.

3. Device according to claim i, characterized in that that the thrust compensation by the magnetic pressure of two homopolar magnetic Disks (3, 4) is brought about.

4. Device according to claim 3, characterized in that that at least one excitation winding is inserted into the disk that is stationary in the space is.

5. Device according to claim 3, characterized in that in the circumferential Disc of the pair at least one field winding is used.

6. Establishment according to claim 3, characterized in that both in the fixed as in the rotating body of the pair of discs used at least one excitation winding each is. Device according to one of Claims 1 to 6 with direct current excitation, characterized characterized in that the excitation windings in annular grooves that are central to the machine axis (5, 6) are housed. B. Device according to one of claims i to 6 with three-phase excitation, characterized; that the excitation windings are designed as phase windings are housed in radial grooves. G. Device according to claim 8, characterized characterized in that the rotating field of the excitation is synchronous with the speed of the magnetic disks running around. ok Device according to claims 8 and 9, characterized in that the the disks containing the windings are laminated. ii. Setup after a of the previous claims, characterized by a control device for the excitation of the magnetic thrust compensation system to adapt the thrust to one or more Operating parameters (power, throughput, pressure, temperature, etc.).